JP2004327992A - Semiconductor laser - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce ringing without substantially shortening the lifetime of a laser and without increasing power consumption. <P>SOLUTION: The laser, a p-spacer (67), an n-spacer (66), and an active region (63) are disclosed. The p-spacer has a p-doped region (57) and an undoped region (58), and the n-spacer has an n-doped region (69) and an undoped region (68). The active region is located between the undoped region of the p-spacer and the undoped region of the n-spacer. The active region generates light of wavelength λ through the recombination of holes and electrons. The undoped region of the p-spacer has a thickness that is different from that of the undoped region of the n-spacer, in one embodiment, the former has a thickness greater than the latter. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は半導体レーザに関する。   The present invention relates to a semiconductor laser.

通信システムの帯域幅および距離に対する要件は増加の一途であり、現在では光ファイバ上でデータが送信されている。従来の電気通信およびインターネットなどのデータネットワークは、短距離送信でも長距離送信でも光ファイバを使用するようになってきている。光通信チャネルは、比較的安価に10Gbit/secを超えるデータレートを提供する。このようなチャネルで下流に送信されるデータは、典型的には電気信号の形態で生成され、該電気信号は、光ファイバの一端でレーザを直接変調させることによって光信号に変換される。   Communication system bandwidth and distance requirements are ever-increasing, and data is currently transmitted over optical fibers. Conventional telecommunications and data networks, such as the Internet, are increasingly using optical fibers for both short and long distance transmissions. Optical communication channels provide data rates in excess of 10 Gbit / sec relatively inexpensively. Data transmitted downstream on such a channel is typically generated in the form of an electrical signal, which is converted to an optical signal by directly modulating a laser at one end of an optical fiber.

垂直共振器面発光レーザ(vertical cavity surface emitting laser; VCSEL)は、高ビットレート(>1Gb/s)の光通信リンク内の送信器として商業的に重要になってきている。このような光通信リンクでは、VCSELは、デジタルビットパターンを伴う大きな信号形態で変調されるので、VCSELの特性は、電気ビットパターンを光パターンに変換する忠実度に大きな影響を与える。非常に短い期間に0から或る所定値にスイッチするステップ関数を含む電気信号によって変調されるVCSELを考えてみる。理想的には、レーザの出力は、同様の期間内に強度ゼロから或る所定の強度値にスイッチする光信号である。残念ながら、非常に速いスイッチング速度においては、レーザの出力は、ステップ関数に重畳される、ゆっくり減少するリンギングパターン(ringing pattern)を呈する。リンギングパターンの振動周波数は、レーザの緩和周波数(relaxation frequency)に関連し、これは、レーザキャビティの電気−光共振周波数すなわち緩和周波数によって決定される。キャビティ内部の減衰(damping)が、リンギングが消えるレートを決定する。   Vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) are becoming commercially important as transmitters in high bit rate (> 1 Gb / s) optical communication links. In such optical communication links, the VCSEL is modulated in a large signal form with a digital bit pattern, so the characteristics of the VCSEL have a significant effect on the fidelity of converting an electrical bit pattern to an optical pattern. Consider a VCSEL that is modulated by an electrical signal that includes a step function that switches from 0 to some predetermined value in a very short period of time. Ideally, the output of the laser is an optical signal that switches from zero intensity to some predetermined intensity value within a similar time period. Unfortunately, at very high switching speeds, the output of the laser exhibits a slowly decreasing ringing pattern superimposed on the step function. The oscillation frequency of the ringing pattern is related to the relaxation frequency of the laser, which is determined by the electro-optical resonance or relaxation frequency of the laser cavity. Damping inside the cavity determines the rate at which ringing disappears.

変調信号が1から0へ遷移したことによってレーザがオフにされると、同様なリンギング現象が起こる。高い変調周波数においては、光強度の該リンギングが、受信器においてデータエラーを引き起こす可能性がある。したがって、このリンギング効果を低減することは、レーザの設計と変調プロトコルにおいて重要な考慮点である。   A similar ringing phenomenon occurs when the laser is turned off by the transition of the modulated signal from 1 to 0. At high modulation frequencies, the ringing of light intensity can cause data errors at the receiver. Therefore, reducing this ringing effect is an important consideration in laser design and modulation protocols.

リンギング効果を低減し、これによって変調周波数を増加させる従来の手法の1つは、減衰係数(ダンピング・ファクタ(dumping factor))および緩和周波数の両方が、電力レベルまたはバイアス電流の増加と共に増加するという観察に基づいている。このような手法の目的は、緩和周波数を変調周波数よりも十分大きな値に動かし、できるだけ早く振動を減衰させることである。緩和周波数が十分に変調周波数より高い場合、レーザは、大きなリンギングなしに、駆動信号に従うことができる。適切な低域フィルタを使用すると、残余の低レベルのリンギングをも除去することができる。同様に、減衰係数が増加すると、リンギングの振幅および持続時間が低減される。したがってVCSELを流れる電力を増加させることによって、リンギングの効果を低減することができる。   One conventional approach to reducing the ringing effect and thereby increasing the modulation frequency is that both the damping factor and the relaxation frequency increase with increasing power level or bias current. Based on observation. The purpose of such an approach is to move the relaxation frequency to a value sufficiently higher than the modulation frequency to dampen the vibration as soon as possible. If the relaxation frequency is sufficiently above the modulation frequency, the laser can follow the drive signal without significant ringing. With a suitable low-pass filter, residual low-level ringing can also be removed. Similarly, as the damping factor increases, the amplitude and duration of the ringing is reduced. Therefore, the effect of ringing can be reduced by increasing the power flowing through the VCSEL.

残念ながら、VCSELの動作寿命は、VCSELが駆動される電力レベルに関連する。たとえば、VCSELの故障率は、デバイス内の電流密度の3乗で増加する。すなわち、電流密度が2倍になると故障率は8倍になる。したがって、上記のリンギング効果を低減する方法は、VCSELの寿命を実質的に縮めることになる。また、バイアス電流が高いと、データ通信のトランシーバの電力消費も増加する。   Unfortunately, the operating life of a VCSEL is related to the power level at which it is driven. For example, the failure rate of a VCSEL increases with the cube of the current density in the device. That is, if the current density doubles, the failure rate increases eight times. Therefore, the above-described method of reducing the ringing effect substantially shortens the life of the VCSEL. Higher bias currents also increase the power consumption of data communication transceivers.

本発明は、レーザ、pスペーサ、nスペーサ、および活性領域を含む。pスペーサは、pドープ領域および非ドープ領域を有し、nスペーサは、nドープ領域および非ドープ領域を含む。活性領域は、pスペーサの非ドープ領域およびnスペーサの非ドープ領域の間に配置される。活性領域は、正孔と電子を再結合して波長λの光を生成する。pスペーサの非ドープ領域は、nスペーサの非ドープ領域とは異なる厚さを有する。一実施形態では、pスペーサの厚さは、nスペーサの厚さよりも大きい。レーザがVCSELである場合、pスペーサとnスペーサは、厚さL=(n+1)λ/2を有する光キャビティを形成し、nは2より大きな整数である。別の実施形態では、キャビティは電磁定在波(standing electromagnetic wave)を有しており、活性層は、該電磁定在波の最大の所に配置される。 The present invention includes a laser, a p-spacer, an n-spacer, and an active region. The p-spacer has a p-doped region and an undoped region, and the n-spacer includes an n-doped region and an undoped region. The active region is located between the undoped region of the p-spacer and the undoped region of the n-spacer. The active region recombines holes and electrons to generate light of wavelength λ. The undoped region of the p-spacer has a different thickness than the undoped region of the n-spacer. In one embodiment, the thickness of the p-spacer is greater than the thickness of the n-spacer. If the laser is a VCSEL, the p-spacer and the n-spacer form an optical cavity having a thickness L c = (n + 1) λ / 2, where n is an integer greater than two. In another embodiment, the cavity has a standing electromagnetic wave and the active layer is located at a maximum of the electromagnetic standing wave.

本発明がどのように利点を提供するかは、図1を参照するとより容易に理解できる。図1は、本発明の一実施形態に従う典型的なVCSEL10における各層を示す。図面を簡単にするために、種々の層の厚さはスケールどおりには描かれていない。VCSEL10は基板11上に構成され、本実施形態では、基板11は、活性領域の下部に電力を供給するのに必要な任意のコンタクト層を含む。VCSEL10は、下部ミラー12、光キャビティ13、および上部ミラー14を含む。電力は、上部のコンタクト層20を介して供給される。ミラーは、従来のDBRミラーであるので、本明細書では詳細に説明しない。本説明の目的からすれば、隣接する層が異なる屈折率を有するように材料の層を交互に成長させることによって、該ミラーが構成される点に注意すれば十分である。典型的には、下部ミラーはnタイプの材料で構成し、上部ミラーはpタイプの材料で構成する。しかし、本発明の教示から離れることなく、他の設計を使用することもできる。   How the present invention provides advantages can be more readily understood with reference to FIG. FIG. 1 shows layers in a typical VCSEL 10 according to one embodiment of the present invention. To simplify the drawings, the thicknesses of the various layers are not drawn to scale. The VCSEL 10 is configured on a substrate 11, and in this embodiment, the substrate 11 includes any contact layers required to supply power below the active region. The VCSEL 10 includes a lower mirror 12, an optical cavity 13, and an upper mirror 14. Power is supplied via the upper contact layer 20. The mirror is a conventional DBR mirror and will not be described in detail herein. For the purposes of this description, it is sufficient to note that the mirror is constructed by alternately growing layers of material such that adjacent layers have different refractive indices. Typically, the lower mirror comprises an n-type material and the upper mirror comprises a p-type material. However, other designs can be used without departing from the teachings of the present invention.

レーザキャビティは活性領域15を含む。活性領域は、図1に示された活性領域の拡大図である図2に詳細に示されている。活性領域は、バリア層26で分離された量子井戸層25から構成される。27と28で示されるスペーサ層は、生成される光の波長についての所望の長さに、キャビティの長さを設定するのに使用される。また、該スペーサ層は、上部ミラーと下部ミラーの間に形成されたキャビティ内の定在波のピークに活性領域を位置づけるのに使用される。本発明の各層と該各層の順序は、従来技術のVCSELで使用されるものと同様である。しかし次に詳細に説明するように、本発明では、層の厚さと、ドーピングの開始ポイントおよび終了ポイントが変更されている。従来技術のVCSELでは、スペーサ層は、典型的には、2つのスペーサ層と活性領域を組み合わせた厚さがλに等しくなるよう設定された厚さを有する。ここでλは、光キャビティ内の材料で放出される光の波長である。活性領域の厚さはλに比べると薄いので、スペーサ層は、従来技術のデバイスでは約λ/2である。VCSELでは、活性領域は、キャビティ内の光定在波のピークに位置づけられる。   The laser cavity includes an active region 15. The active area is shown in detail in FIG. 2, which is an enlarged view of the active area shown in FIG. The active region includes a quantum well layer 25 separated by a barrier layer 26. The spacer layers, indicated at 27 and 28, are used to set the length of the cavity to the desired length for the wavelength of light generated. Also, the spacer layer is used to position the active region at the peak of the standing wave in the cavity formed between the upper and lower mirrors. The layers of the present invention and the order of the layers are similar to those used in prior art VCSELs. However, as will be described in more detail below, in the present invention, the thickness of the layers and the starting and ending points of the doping are varied. In prior art VCSELs, the spacer layer typically has a thickness set such that the combined thickness of the two spacer layers and the active region is equal to λ. Where λ is the wavelength of light emitted by the material in the optical cavity. Since the thickness of the active region is small compared to λ, the spacer layer is about λ / 2 for prior art devices. In a VCSEL, the active region is located at the peak of the light standing wave in the cavity.

図3を参照すると、t=0においてゼロから固定値に増加するステップ関数で駆動された時の、典型的な従来技術のVCSELの光出力が示されている。図から分かるように、レーザの出力は、ほぼグラフの領域31に示される期間にわたって振動している(リンギング)。該リンギングの振幅によって、論理1に対応する光レベルの半分以下に信号が低減してしまうと、ファイバの他端にある受信器は、このようなリンギングを、1から0への遷移と間違える可能性がある。   Referring to FIG. 3, there is shown the light output of a typical prior art VCSEL when driven with a step function increasing from zero to a fixed value at t = 0. As can be seen, the output of the laser oscillates (ringing) for approximately the period shown in region 31 of the graph. If the amplitude of the ringing causes the signal to drop below half the light level corresponding to a logical one, a receiver at the other end of the fiber can mistake such ringing for a one-to-zero transition. There is.

本発明は、正孔(ホール)または電子が活性領域に達するのに必要な時間に遅延を導入すれば、デバイスを駆動する電力レベルを変化させずにリンギングの振幅を低減することができる、という観察に基づいている。VCSEL内のミラーは通常ドープされているが、従来技術のVCSELにおけるスペーサ領域も軽くドープされており、該スペーサ領域のドーピングは、活性領域から数十nm離れた位置で終了する。ミラー全体に電位が印加されると、pドープミラーに隣接するスペーサ内に正孔が注入され、電子は、nドープミラーに隣接するスペーサ内に注入される。正孔と電子は活性領域に移動し、該活性領域において結合して光を生成する。従来技術のVCSELでは、ドーピングは活性領域の近くで終了し(すなわち、活性領域から数十nmの所)、キャリアが量子井戸に到達するための時間を最小化している。   The present invention states that by introducing a delay in the time required for holes or electrons to reach the active region, the amplitude of the ringing can be reduced without changing the power level driving the device. Based on observation. Although the mirrors in VCSELs are usually doped, the spacer regions in prior art VCSELs are also lightly doped, and doping of the spacer regions ends at a distance of several tens of nm from the active region. When a potential is applied across the mirror, holes are injected into the spacer adjacent to the p-doped mirror and electrons are injected into the spacer adjacent to the n-doped mirror. The holes and electrons move to the active region where they combine to generate light. In prior art VCSELs, doping terminates near the active region (ie, tens of nm from the active region), minimizing the time for carriers to reach the quantum well.

レーザの動作においては、固定DC電流のバイアスをレーザに印加し、変調されたACバイアスが重畳される。AC電流の変化により、スペーサ層内の電子と正孔の濃度が変化し、これにより、正孔と電子が最終的に再結合するのに活性領域に移動する時間がある程度かかる。この時間遅延は、レーザの変調応答に影響を与える。次に図4を参照すると、典型的なVCSELにおけるレーザキャビティの領域内のドーピングパターンが示されている。51と52で示されるミラーが、キャビティを画定する。ミラー51はpタイプの材料でドープされ、ミラー52はnタイプの材料でドープされる。ミラー間の距離Lは、通常は1λに設定され、ここでλは、VCSELが生成する光の波長である。しかし、Lが(n+1)λ/2に等しく、nは1より大きな整数である実施形態もまた、当該技術分野で知られている。一般に、pドープ領域とnドープ領域は、54と55で示されるように、スペーサ領域において終了する。pドープ領域で生成される正孔は、53で示される量子井戸層でキャプチャ(捕獲)される前に、pドープミラーに隣接するスペーサ内の長さLの非ドープ領域を介して拡散しなければならない。同様に、スペーサ55のnドープ領域を離れた電子も、nドープミラーに隣接するスペーサの長さLの非ドープ領域を介して拡散しなければならない。非ドープ領域は、5×1017cm−3より小さいドーピング濃度を有する。従来技術のVCSELでは、拡散時間を低減するために、LとLは25nmより小さい。典型的なIII−V半導体では、電子拡散時間は正孔拡散時間の5分の1である。 In operation of the laser, a fixed DC current bias is applied to the laser, and a modulated AC bias is superimposed. The change in AC current changes the concentration of electrons and holes in the spacer layer, which takes some time to move to the active region for the holes and electrons to eventually recombine. This time delay affects the modulation response of the laser. Referring now to FIG. 4, there is shown a doping pattern in the region of a laser cavity in a typical VCSEL. Mirrors designated 51 and 52 define the cavity. Mirror 51 is doped with a p-type material and mirror 52 is doped with an n-type material. Distance L c between the mirrors is typically set to 1 [lambda, where λ is the wavelength of light VCSEL generates. However, embodiments where L c is equal to (n + 1) λ / 2 and n is an integer greater than 1 are also known in the art. Generally, the p-doped and n-doped regions terminate at the spacer region, as indicated by 54 and 55. The holes generated in the p-doped region diffuse through a length L h undoped region in the spacer adjacent to the p-doped mirror before being captured in the quantum well layer indicated by 53. There must be. Similarly, electrons leaving the n-doped region of the spacer 55 also must diffuse through the non-doped region of the length L e of the spacer adjacent to the n-doped mirror. The undoped region has a doping concentration of less than 5 × 10 17 cm −3 . In VCSEL of the prior art, in order to reduce the diffusion time, L h and L e is 25nm less. In a typical III-V semiconductor, the electron diffusion time is one fifth of the hole diffusion time.

本発明は、減衰係数が、電子と正孔がこれらの非ドープ領域を介して拡散するのに必要な時間に関連する、という観察に基づいている。この遅延が増加すると、減衰係数も増加することが示される。特に、スペーサ領域を介した遅延が、電気回路における寄生RC時定数と同様に作用することを示すことができる。該遅延は、次式(1)によって与えられる。

Figure 2004327992
The present invention is based on the observation that the extinction coefficient is related to the time required for electrons and holes to diffuse through these undoped regions. It is shown that as this delay increases, so does the attenuation coefficient. In particular, it can be shown that the delay through the spacer region acts similarly to the parasitic RC time constant in the electric circuit. The delay is given by the following equation (1).
Figure 2004327992

式(1)で、Lは、正孔が拡散して量子井戸に達するために必要な距離であり、Lは、電子が拡散して量子井戸に達するために必要な距離である。DとDは、正孔と電子の拡散係数である。Dはおよそ4cm/secであるが、Dはおよそ20cm/secである。したがって、活性層の正孔側上のスペーサ層内を正孔が拡散する距離の増加がわずかであっても、遅延すなわちキャプチャ時間は大きく増加する。したがって、本発明の好ましい実施形態は、この距離を増加させることにより実現される。 In formula (1), L h is the distance required for the holes to reach the quantum well diffused, L e is the distance required for the electrons reach the quantum well diffused. Dh and De are the diffusion coefficients of holes and electrons. D h but is approximately 4cm 2 / sec, D e is approximately 20 cm 2 / sec. Therefore, even if the distance by which holes diffuse in the spacer layer on the hole side of the active layer is slightly increased, the delay, that is, the capture time is greatly increased. Therefore, the preferred embodiment of the present invention is realized by increasing this distance.

次に図5を参照すると、本発明に従うVCSEL内のレーザキャビティの領域内のドーピングパターンが示されている。キャビティは、61と62で示されるミラーで画定される。ミラー61はpタイプの材料でドープされ、ミラー62はnタイプの材料でドープされる。ミラー間の距離Lは(n+1)λ/2に設定され、λは、キャビティ材料内でVCSELが生成する光の波長である。本発明の好ましい実施形態では、n>2である。pタイプのドーピングは、pタイプスペーサ67内の位置64で終了し、該pタイプのスペーサ67は、ドープ領域57と非ドープ領域58を有する。該非ドープ領域は、正孔が、63で示される量子井戸層に達する前に拡散する距離Lを提供する。同様に、nタイプのスペーサ66は、非ドープ領域68とドープ領域69を含む。nタイプのドーピングはnタイプのスペーサの位置65で終了し、電子が、量子井戸層に入る前に拡散する距離Lが提供される。本発明の1つの好ましい実施形態では、pスペーサ層の厚さはλ/2より大きくなるように選択され、nスペーサ層の厚さはλ/2より小さくなるように選択される。pスペーサ層の非ドープ領域の厚さ(L)は20nmより大きくなるように選択され、nスペーサ層内の非ドープ領域の厚さ(L)は40nmより小さくなるように選択される。 Referring now to FIG. 5, there is shown a doping pattern in the region of a laser cavity in a VCSEL according to the present invention. The cavity is defined by mirrors indicated by 61 and 62. Mirror 61 is doped with a p-type material and mirror 62 is doped with an n-type material. The distance L c between the mirrors is set to (n + 1) λ / 2 , λ is the wavelength of light VCSEL is generated within the cavity material. In a preferred embodiment of the present invention, n> 2. The p-type doping ends at a location 64 in the p-type spacer 67, which has a doped region 57 and an undoped region 58. The undoped region provides a distance L h for holes to diffuse before reaching the quantum well layer indicated by 63. Similarly, n-type spacer 66 includes an undoped region 68 and a doped region 69. n-type doping ends at position 65 of the n-type spacer, electrons, the distance L e to diffuse before entering the quantum well layer. In one preferred embodiment of the present invention, the thickness of the p spacer layer is selected to be greater than λ / 2 and the thickness of the n spacer layer is selected to be less than λ / 2. The thickness of the undoped region of the p-spacer layer (L h ) is selected to be greater than 20 nm, and the thickness of the undoped region in the n-spacer layer (L e ) is selected to be less than 40 nm.

とLの正確な値は、望ましい緩和周波数と必要な減衰の程度によって決定される。緩和周波数は、変調周波数より高くなければならない。緩和周波数は、デバイスを流れる電流によって設定される。したがって、変調周波数が設定されると、適切な緩和周波数が従来の手段で決定される。本説明の目的からいえば、緩和周波数が、活性領域の差動利得、光学モード(optical mode)の大きさ、およびバイアス電流によって決定されることに注意すれば十分である。これはさらに、デバイスを介して流れなければならない電流密度をも定義する。上記のように、デバイスの寿命を向上させるには、電流密度を低くすることが好ましい。したがって、緩和周波数の目標値をできるだけ低く設定して、変調された信号を送信後に復調(decode)しなければならない復調回路と整合性のとれた、最も低いバイアスおよび変調電流を提供するようにする。 The exact value of L h and L e is determined by the desired degree of relaxation frequency and attenuation required. The relaxation frequency must be higher than the modulation frequency. The relaxation frequency is set by the current flowing through the device. Thus, once the modulation frequency is set, the appropriate relaxation frequency is determined by conventional means. For the purpose of this description, it is sufficient to note that the relaxation frequency is determined by the differential gain of the active region, the magnitude of the optical mode, and the bias current. It also defines the current density that must flow through the device. As described above, it is preferable to lower the current density in order to improve the life of the device. Thus, the target value of the relaxation frequency should be set as low as possible to provide the lowest bias and modulation current consistent with the demodulation circuit that must demodulate the modulated signal after transmission. .

電流密度を設定したら、Lを変化させLは一定にして、この電流密度において最適な減衰を提供する値を見つける。典型的には、必要な減衰量は、量子井戸の材料特性とレーザキャビティ内の光損失に強く依存するので、該値の決定は実験的に行われる。 Once the current density is set, L h is varied and Le is kept constant to find a value that provides optimal damping at this current density. Typically, the amount of attenuation required depends heavily on the material properties of the quantum well and the optical loss in the laser cavity, so the determination of the value is made experimentally.

上部ミラーと下部ミラーの間の領域は、電流がレーザを流れているときに電磁定在波を有するキャビティを形成する。通常、量子井戸層がこの定在波の最大値の所に位置付けられるように、レーザの活性層は配置される。従来のVCSELでは、キャビティの中央にこのような最大値が1つあり、ミラー/スペーサの境界の各々にこのような最大値が1つある。本発明に従うVCSELでは、キャビティ内にいくつかの追加の最大値があるようにすることができる。pスペーサだけを拡大すると、これらの追加の最大値は、量子井戸のpスペーサ側にあることとなる。しかしながら、好ましくは、量子井戸は、nタイプのミラーに最も近い定在波の最大の所に位置づけられる。   The area between the upper and lower mirrors forms a cavity with an electromagnetic standing wave when current is flowing through the laser. Usually, the active layer of the laser is arranged such that the quantum well layer is located at the maximum of this standing wave. In a conventional VCSEL, there is one such maximum at the center of the cavity and one such maximum at each of the mirror / spacer boundaries. In a VCSEL according to the invention, there can be some additional maximum in the cavity. Expanding only the p-spacer, these additional maxima will be on the p-spacer side of the quantum well. However, preferably, the quantum well is located at the maximum of the standing wave closest to the n-type mirror.

本発明の上記の実施形態は、pタイプスペーサにおいて拡大された非ドープ領域を使用する。しかし、上記のように、キャリアを非ドープスペーサ領域に注入することと、量子井戸がキャリアをキャプチャすることの間の遅延時間を増加させるという目的は、nタイプスペーサの非ドープ領域の厚さを増加することによっても達成できる。しかし、典型的には、遅延時間の所与の増加を得るために、nタイプのスペーサに必要な厚さの増加は、pタイプスペーサを使用して遅延させるために必要な厚さの増加の5倍であるので、上記の方法が好ましい。   The above embodiments of the present invention use enlarged undoped regions in the p-type spacer. However, as noted above, the purpose of increasing the delay between injecting carriers into the undoped spacer region and capturing the carriers by the quantum well is to reduce the thickness of the undoped region of the n-type spacer. It can also be achieved by increasing. However, typically, to obtain a given increase in delay time, the increase in thickness required for n-type spacers is less than the increase in thickness required to delay using p-type spacers. Since it is five times, the above method is preferable.

本発明の方法は、端面発光型レーザ(edge-emitting laser)にも適用できる。端面発光型レーザで本発明を使用する方法は、図6を参照するとより容易に理解される。図6は、端面発光型レーザ70の基本的な構造を示す。端面発光型レーザは当該技術分野ではよく知られているので、レーザ70の詳しい構造は本明細書では説明しない。本説明の目的からすれば、レーザ70が、基板71上に堆積されたp−i−nダイオード構造であることに注意すれば十分である。典型的には、いくつかの層を基板上に堆積させ、n領域72、スペーサ領域75、1つまたは複数の量子井戸層を有する活性領域74、第2のスペーサ領域76、p領域73を形成する。該多層構造をエッチング処理し、導波管として作用するリッジ(ridge)79すなわち埋め込み構造を形成する。共振周波数は、ミラーを形成するよう劈開されるリッジ構造の端と端の間の距離Lで設定される。 The method of the invention is also applicable to edge-emitting lasers. The use of the present invention in an edge emitting laser can be more easily understood with reference to FIG. FIG. 6 shows a basic structure of the edge emitting laser 70. Since edge emitting lasers are well known in the art, the detailed structure of laser 70 will not be described herein. For the purpose of this description, it is sufficient to note that laser 70 is a pin diode structure deposited on substrate 71. Typically, several layers are deposited on the substrate to form an n region 72, a spacer region 75, an active region 74 having one or more quantum well layers, a second spacer region 76, a p region 73. I do. The multilayer structure is etched to form a ridge 79 or buried structure that acts as a waveguide. Resonance frequency is set at a distance L c between the end and the end of the ridge structure is cleaved to form the mirror.

p領域のエッジ(端部)とn領域のエッジ(端部)の間の距離は、導波管が垂直方向でサポートする光学モード(optical mode)は1つだけでなくてはならないという要件によって決定される。2つのスペーサ領域と活性領域の厚さは1波長より短く、かつpスペーサはnスペーサより厚いので、活性領域は、必ずしもキャビティ内の電場の最大の所に正確に配置されるわけではない。しかし、活性領域は、レーザが満足に動作できるような、最大の電場の箇所に十分に近いところに配置されることができる。   The distance between the edge of the p-region and the edge of the n-region is determined by the requirement that the waveguide must support only one optical mode in the vertical direction. It is determined. Since the thickness of the two spacer regions and the active region is less than one wavelength and the p-spacer is thicker than the n-spacer, the active region is not always located exactly at the maximum of the electric field in the cavity. However, the active region can be located sufficiently close to the point of maximum electric field that the laser can operate satisfactorily.

本発明に従う端面発光型レーザでは、活性領域とpドーピングの終端の間の距離を調節して、上記と同様な方法で減衰を導入する。図7を参照すると、端面発光型レーザ70内のレーザキャビティの領域におけるドーピングパターンが示されている。スペーサ領域と活性領域を介した垂直距離をLで示す。p領域73のドーピングは、スペーサ領域76内のポイント84まで連続することができる。同様に、n領域72のドーピングはスペーサ領域75内のポイント85まで連続することができる。 In an edge-emitting laser according to the present invention, the distance between the active region and the end of the p-doping is adjusted to introduce attenuation in a manner similar to that described above. Referring to FIG. 7, the doping pattern in the region of the laser cavity in the edge emitting laser 70 is shown. The vertical distance through a spacer region and the active region indicated by L v. The doping of p region 73 can be continued up to point 84 in spacer region 76. Similarly, the doping of n region 72 can be continued up to point 85 in spacer region 75.

本発明の上記の実施形態は、従来のp−i−nレーザダイオード構造を使用する。しかし、本発明は、逆バイアストンネル接合を使用したレーザ構造内でも実現されることができる。このタイプのレーザでは、上部のコンタクト層も下部のコンタクト層もnタイプである。レーザは、典型的には、下部のnタイプのコンタクト層上に構成される活性層を有する。n−p逆バイアストンネルダイオード接合は、活性領域のpタイプスペーサ上に堆積され、該接合のp層は、該pスペーサのpドープ領域と接する。上部のミラーと上部のコンタクトは、nタイプ層から構成される。このタイプの構造により、従来のレーザで使用されるpタイプのコンタクト層に伴う、電流の拡散と抵抗の問題が低減される。このタイプの発光デバイスは、2000年6月2日に出願された、米国特許出願第09/586,406号に教示されており、この出願は参照により本明細書に組み込まれる。   The above embodiments of the present invention use a conventional pin laser diode structure. However, the invention can also be implemented in laser structures using reverse-biased tunnel junctions. In this type of laser, both the upper and lower contact layers are n-type. Lasers typically have an active layer configured on a lower n-type contact layer. An np reverse-biased tunnel diode junction is deposited over the p-type spacer in the active region, and the p-layer of the junction contacts the p-doped region of the p-spacer. The upper mirror and the upper contact are composed of n-type layers. This type of structure reduces current spreading and resistance problems associated with p-type contact layers used in conventional lasers. A light emitting device of this type is taught in US patent application Ser. No. 09 / 586,406, filed Jun. 2, 2000, which is incorporated herein by reference.

当業者であれば、上述の説明と図面から、本発明の種々の変形形態が明らかになろう。したがって、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定される。   Various modifications of the invention will be apparent to those skilled in the art from the foregoing description and drawings. Accordingly, the invention is limited only by the claims.

本発明の1実施形態に従う、典型的なVCSEL10の各層を示す図。FIG. 2 illustrates the layers of a typical VCSEL 10 according to one embodiment of the present invention. 図1に示される活性領域の拡大図。FIG. 2 is an enlarged view of the active region shown in FIG. 1. t=0で0から固定値に増加するステップ関数によって駆動される、典型的な従来技術のVCSELの光出力を示す図。FIG. 4 shows the light output of a typical prior art VCSEL driven by a step function increasing from 0 to a fixed value at t = 0. 典型的なVCSEL内のレーザキャビティの領域のドーピングパターンを示す図。FIG. 4 shows a doping pattern in the region of a laser cavity in a typical VCSEL. 本発明の別の実施形態に従う、VCSEL内のレーザキャビティの領域におけるドーピングパターンを示す図。FIG. 4 illustrates a doping pattern in the region of a laser cavity in a VCSEL, according to another embodiment of the present invention. 本発明の別の実施形態に従う、端面発光型レーザの基本的な構造を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a basic structure of an edge-emitting laser according to another embodiment of the present invention. 本発明の別の実施形態に従う、端面発光型レーザのレーザキャビティの領域におけるドーピングパターンを示す図。FIG. 4 is a diagram illustrating a doping pattern in a region of a laser cavity of an edge-emitting laser according to another embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of reference numerals

10 VCSEL
12 下部ミラー
13 光キャビティ
14 上部ミラー
15 活性領域
25 量子井戸層
27 スペーサ層
28 スペーサ層
67 pスペーサ
66 nスペーサ
57 pドープ領域
58 非ドープ領域
69 nドープ領域
68 非ドープ領域
63 活性領域
10 VCSEL
Reference Signs List 12 lower mirror 13 optical cavity 14 upper mirror 15 active region 25 quantum well layer 27 spacer layer 28 spacer layer 67 p spacer 66 n spacer 57 p doped region 58 undoped region 69 n doped region 68 undoped region 63 active region

Claims (6)

pドープ領域および非ドープ領域を有するpスペーサと、
nドープ領域および非ドープ領域を有するnスペーサと、
前記pスペーサの前記非ドープ領域および前記nスペーサの前記非ドープ領域の間の活性領域であって、正孔と電子の再結合によって波長λの光を生成する活性領域と、を有し、
前記pスペーサの前記非ドープ領域は、前記nスペーサの前記非ドープ領域とは異なる厚さを有する、
レーザ。
a p-spacer having a p-doped region and an undoped region;
an n spacer having an n-doped region and an undoped region;
An active region between the undoped region of the p-spacer and the undoped region of the n-spacer, wherein the active region generates light of wavelength λ by recombination of holes and electrons,
The undoped region of the p-spacer has a different thickness than the undoped region of the n-spacer;
laser.
前記pスペーサは、前記nスペーサより大きな厚さを有する、請求項1に記載のレーザ。 The laser of claim 1, wherein the p-spacer has a greater thickness than the n-spacer. 前記pスペーサおよび前記nスペーサは、厚さL=(n+1)λ/2を有する光キャビティを形成し、nは、2より大きい整数である、請求項1に記載のレーザ。 The laser of claim 1, wherein the p spacer and the n spacer form an optical cavity having a thickness L c = (n + 1) λ / 2, where n is an integer greater than two. 前記pスペーサの前記非ドープ領域は、20nmより大きな厚さを有する、請求項1に記載のレーザ。 The laser of claim 1, wherein the undoped region of the p-spacer has a thickness greater than 20nm. 前記nスペーサの前記の非ドープ領域は、40nmより小さな厚さを有する、請求項1に記載のレーザ。 The laser of claim 1, wherein the undoped region of the n-spacer has a thickness less than 40 nm. 前記キャビティは電磁定在波を有し、前記活性層は、該電磁定在波の最大値に位置する、請求項3に記載のレーザ。 4. The laser according to claim 3, wherein the cavity has an electromagnetic standing wave, and the active layer is located at a maximum of the electromagnetic standing wave.
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